Технологические особенности вакуумного конденсационного нанесения покрытий ионным распылением

При нанесении покрытий распылением материал бомбардируется ускоренным потоком положительно заряженных ионов (рисунок 5.8), чаще всего для этих целей используют тлеющий разряд при невысоком разрежении в камере (1–1 10^-1 Па).

На материал покрытия подаётся отрицательный потенциал источника питания, поэтому в публикациях часто встречается другое название процесса – нанесение покрытий катодным распылением. Для образования положительных ионов в разряде используют аргон или другие газы, которые подают в камеру через специальный натекатель. Если в камеру поступают активные газы (азот, оксид углерода и др.), то происходит процесс реакционного нанесения покрытий. При распылении диэлектриков их располагают на токопроводящем электроде.

Рисунок 5.8 – Схемы напыления покрытий катодным распылением: диодная (а); триодная (б); магнетронная (в); диодная с высокочастотным разрядом (г), где 1 – распыляемый материал (катода); 2 – тлеющий разряд; 3 – натекатель; 4 – напыляемое изделие; 5 – покрытие; 6 – анод; 7 – горячий катод; 8 – магнитная катушка; 9 – постоянные магниты

Распыление катода происходит в основном выбиванием частиц (атомов, молекул) в результате прямой передачи импульса положительного иона поверхности распыления; в зоне удара выделяющаяся энергия создает условия, сходные с взрывным испарением распыляемого материала.

В момент соударения с распыляемым материалом ион передает часть энергии кристаллической решетке. Атом кристаллической решетки покидает равновесное состояние и переходит в междоузлие.

Может образоваться каскад смещенных атомов. Распыление происходит, если энергия иона превышает некоторое пороговое значение, которое для большинства материалов находится в интервале (1–160) 10^-19 Дж. По мере увеличения энергии ионов распыление усиливается, наблюдается выход атомов из распыляемого материала с глубины до 8 нм (около 20 атомных слоев). Продуктами распыления являются нейтральные атомы (молекулы). Доля заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов) составляет около 1 %.

Эффективность ионного распыления – коэффициент распыления S характеризуется числом распыленных атомов N_a, приходящимся на один бомбардируемый ион N_и:

Величину S можно выразить через потерю массы распыляемого материала (∆m), ионный ток (j) и время (t):

,

(5.4)

где K – коэффициент, зависящий от выбора единиц; А – масса распыленных атомов.

На практике часто рассчитывают скорость распыления материала (v_p, г/(А ч)) по формуле:

Как следует из приведенных зависимостей, одним из наиболее значимых показателей эффективности процесса следует считать коэффициент распыления. В основном этот показатель определяется энергией бомбардирующих ионов, значение которой E_i должно быть выше порогового E_iп для каждого распыляемого материала бомбардирующих ионов.

На практике получили распространение различные схемы катодного распыления, отличающиеся условиями образования плазмы тлеющего разряда: диодная, триодная и магнетронная (см. рисунок 5.8).